JP2008073842A - 工作機械の工具を回転駆動するためのモータスピンドル - Google Patents

Abstract

【課題】モータスピンドルにおいて、モータ軸の軸受けを損なうことなく、また、スピンドルモータを分解することなく、スピンドル軸及び工具保持手段を単純に取り外せるようにすること。
【解決手段】モータスピンドルは、モータ軸を有するスピンドルモータと、モータ軸により駆動され、工具保持手段を有するスピンドル軸と、工具を保持するために軸方向にスライドする引き込みロッドと、を備えている。引き込みロッドは、工具保持手段からスピンドル軸及びモータ軸を通って延びている。モータ軸は、モータハウジング内で、スピンドル軸から独立して回転可能に支持されており、スピンドル軸は、スピンドルハウジング内で、モータ軸から独立して支持されている。スピンドル軸は、モータ軸の回転に連動し、一方、モータ軸に対して自由に軸方向にスライド可能である。スピンドルハウジングは、工具保持手段を備えた１つの構造ユニットを構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、工作機械において工具を回転駆動させるためのモータスピンドルに関する。モータスピンドルは、モータ軸を備えるスピンドルモータと、モータ軸により駆動され、工具保持手段を備えるスピンドル軸と、工具または工具受け手段を保持する工具保持手段のために、工具保持手段から、スピンドル軸及びモータ軸内を通って、スライド可能に延びる引き込みロッドと、を備えている。

内部クーラント供給を有するドイツ特許公報ＤＥ２０２００５０１８００２Ｕ１において開示されたモータスピンドルモジュールのような場合においては、モータ軸は、スピンドル軸と同一であり、つまり、モータ軸は、各工具を保持するための工具保持手段も支持する。このモータスピンドルは、現場で分解されることが許容されてもよい。しかしながら、そのとき、ドライブモータを、モータベアリング全体から分解する必要がある。このように現場でモータを完全に分解する方法は、実際には非常に不都合であることが分かってきた。モータベアリングからモータを完全に分解する場合には、高精度のモータベアリングの精度を落とさないように、概して、非常に厳しい分解手順に、厳格に従いつつ実行されなければならない。再組立時に、モータの動的なバランスの品質は一般的に損なわれ、その結果、全体のシステムは再度動的にバランスをとる必要がある。実際には、このようなスピンドルモータの分解手順は、製造元の施設においてのみ適切に実行されうるので、組立のためのこのような条件は、現場では一般的には実現されえない。

冒頭に言及した型のさらなるモータスピンドルが、ドイツ特許公報１０２４０７３７Ａ１に開示されている。このモータスピンドルもまた内部クーラント供給を有するものであるが、２つの駆動軸部品を備えている。２つの駆動軸部品、つまり、モータ軸とスピンドル軸は、しかしながら、個別の軸受けに設けられているのではなく、モータ軸は、その一端でスピンドル軸にねじを用いて固定されており、同じ１つの軸受けに支持されている。この結果、この２つの軸部は、組立状態において連動し、力を伝達するように結合されていなければならず、正確な軸受けの設定を実現するために相対的な軸配置にて支持されなければならない。モータ軸からスピンドル軸を分解すると、モータ軸は、もはやその一端で軸受けにて支持されておらず、再取付には、高速回転を考慮した再調整を行わなければならず、また、再度動的にバランスをとらなければならない。これは、分解や再取付は、実際に現場で行うことは不可能であることを意味している。さらに、この特許公報では、スピンドル軸部を構成する部品であり、共にスピンドル軸部から分離されうる工具保持手段、さらに詳細には、その引き込みロッドの示唆がされていない。
独国実用新案第２０２００５０１８００２号明細書 独国特許出願公開第１０２４０７３７号明細書

本発明の目的は、スピンドル軸及び冒頭に言及した工具保持手段の単純な分解が、モータ軸の軸受けが損なわれず、また、スピンドルモータを取り外すことなく実現されうるように、冒頭に言及した型のモータスピンドルを再設計することである。

これらの目的、及び／または、本発明における本明細書、特許請求の範囲、図面に見られる他の目的を実現するために、本発明は、請求項１にて挙げられた特徴を有するモータスピンドルを提供する。

本発明によるモータスピンドルの有利な点は、特にモジュールの構成によるものである。換言すると、モータハウジングにおけるモータ軸、及び、スピンドルハウジングにおけるスピンドル軸のための分離された軸受け手段であり、また、モータ軸に結合され、軸方向に自由にスライドするスピンドル軸である。モータハウジングからのスピンドルハウジングの分解は、迅速且つ容易に行われ、単にハウジングのねじを外すだけでよい。何れにしても、このとき、スピンドルモータ自体の品質が損なわれることはない。さらには、モータ軸とスピンドル軸との間における軸方向のスライド結合によれば、その軸受けを用いて、衝突による軸方向の衝撃に対して比較的単純にドライブモータが保護されるようにすることができる。衝突が発生した場合には、スピンドル軸は、モータの軸受けに力が伝達されることなく、軸方向に変位されうる。さらなる重要な有利な点は、モータハウジングからスピンドルハウジングを分解するときに、工具保持手段、または、それらの引き込みロッドのそれぞれが、この目的のために、いかなる分解のための作業が必要とされることなく、引き抜かれうる。モータスピンドルにおいて、最も摩耗されやすい部品は、通常、工具保持手段やスピンドル軸の軸受けである。工具保持手段の円板ばねスタックは、通常、ある回数の締め付け動作後に取り換えられなければならない。また、機械加工の間に１つの工具を用いるスピンドル軸の軸受けは、最大荷重（most load）を前提としている。容易且つ迅速なスピンドルハウジングの分解によれば、このような分解を現場で行うことができ、一方、全ての特に摩耗されやすい部品は、１つのアセンブリとして分解されうる。現場において、新しいアセンブリは、いかなる主要な調整作業、または、動的バランスの調整が必要とされることなく用いられる。

本発明のさらなる有利な展開や改善は、特許請求の範囲において、請求項１のモータスピンドルに対して規定される。
スピンドル軸とモータ軸との間で回転方向に連動し、相互の軸方向の分解が許容される結合は、ギア状のキー溝（例えば、歯車状のキー溝）、更に具体的には、環状のキー溝で構成されることが好ましい。この場合においては、更に、モータ軸は、内部キー溝を有するキー溝リング部を備えていても良い。このようにすれば、内部キー溝は、スピンドル軸のキー溝ハブと噛み合う。この構成により、内側または外側にスライドすることで（例えば、スピンドル軸を備えたスピンドルハウジングをモータハウジングの内側または外側にスライドすることで）、単純且つ迅速な分解及び結合が可能となる。

モータハウジングにおけるモータ軸用の１つの軸受け手段は、キー溝リング部のための軸受けとして構成されることが好ましい。
さらには、モータ軸は、スピンドルハウジングと反対側に、モータ軸に、支持点を提供すること等のために、設けられた、ピローブロックを備えることが好ましい。

モータスピンドル、または、切削工具のそれぞれの回転速度の制御、または、調整のそれぞれのために、モータ軸は、回転速度センサと協働することが好ましい。具体的には、回転速度センサは、モータハウジング内のピローブロックに配置されても良い。それぞれのハウジングにおけるモータ軸及びスピンドル軸の軸受けが個別にされるように、モータハウジングにおけるモータ軸と、スピンドルハウジングにおけるスピンドル軸は、それぞれ、少なくとも２つの支持点（例えば、２つの軸受け手段による支持構造）を備えることが好ましい。

スピンドルハウジングは、モータハウジングにねじ固定されることが好ましく、その結果、工具保持手段を有する１つの構造ユニットを形成するスピンドルハウジングを取り外すためには、単に、ハウジングねじが取り外されなければならないだけである。

工具保持手段の引き込みロッドは、工具受け手段の近傍の端部に工具クランプ爪と協働するようなコレットを備えてもよい。また、工具保持手段の引き込みロッドは、工具受け手段と反対側の端部に、引き込みロッドの軸方向の位置を検出する位置検出センサシステムと協働するゲージ部を備えてもよい。位置検出センサシステムは、スピンドルハウジングを分解するときに、引き込みロッドを引き出すにつれて、いかなる追加のアセンブリ作業をも必要としないために、具体的には、少なくとも１つの非接触位置センサを備えることが好ましい。

モータハウジングにおいて、スピンドルハウジングと反対側の端部に、引き込みロッドの動作のための作動ユニットが設けられることが好ましい。この作動ユニットについては、保持用ねじの取り外しにより、単純な方法で、取り外し、または、取り換えのそれぞれが行われうる。この作動ユニットは、引き込みロッドの軸方向の変位のための流体作動式のサーボ部を備えることが好ましい。

引き込みロッドには、各工具を支持するためのクランプ力を働かせるように構成されたばね手段が設けられていても良い。このばね手段は、具体的には、モータ軸内で引き込みロッド上に配置されても良い。この場合、上記作動ユニットは、工具を解放するため、上記ばね手段のばね力に抗するように引き込みロッドをシフトするように構成されている。従って、工具または工具保持手段のそれぞれは、作動ユニットが動作していないときにばね力により保持され、作動ユニットの動作により解放されうる。

本発明のさらなる有利な展開及び都合のよい構成は、添付の図面と併せて、以下に続く本発明の一実施例の詳細な説明の開示により明らかにされる。
図中に描かれたモータスピンドルは、小型に設計されており、工作機械において、切削工具を回転駆動させる。このモータスピンドルは、互いにねじにて結合された２つのハウジング、つまり、スピンドルモータ１１のためのモータハウジング１０と、スピンドル軸１３、及び、切削工具、または、そのような切削工具を保持する工具受け手段１５をクランプするための工具保持手段１４のためのスピンドルハウジング１２と、を備えている。

モータハウジング１０におけるスピンドルモータ１１は、モータ軸１８の周囲にはめ込まれた中空軸状の外側固定子１６及び内側回転子１７を備えている。
モータハウジング１０は、スピンドルハウジング１２から離れた側の端部で、ピローブロック１９により終端されている。ピローブロック１９は、モータ軸１８のピローブロック１９側のための回転軸受けとして、減摩ベアリング２０を備えている。さらに、このピローブロック１９には、モータ軸１８の回転速度に応答する回転センサ２１（それゆえに、スピンドルモータ１１の回転速度に応答する回転センサ２１）が設けられている。

モータ軸１８は、スピンドルハウジング１２側で、内部に環状のキー溝が設けられた、管状のキー溝リング要素２２に確実に結合されている。キー溝リング要素２２及びこれに対応するモータ軸１８の端部は、別の減摩ベアリング２４を用いて環状ハウジング部２３に回転可能に支持されている。減摩ベアリング２４は、本実施例の場合、減摩ベアリング２４と環状ハウジング部２３との間の中間部材を構成する環状の軸受けソケット２５の周辺部に配置されている（例えば、軸受けソケット２５の内周面に沿って配置されている）。減摩ベアリング２４は、２つのねじ要素２６及び２７を用いて、キー溝リング要素２２と軸受けソケット２５にそれぞれ固定される。

スピンドル軸１３は、４つの減摩ベアリング２８〜３１を用いて回転可能にスピンドルハウジング１２に支持されている。減摩ベアリング２８〜３１、また、モータ軸１８を支持するための減摩ベアリング２０及び２４の数は、当然ながら変更してもよい。ただし、２つの軸、つまり、スピンドル軸１３とモータ軸１８に個別に軸受け手段を設けるために、少なくとも２箇所の支持点が必要である。

スピンドル軸１３において、モータハウジング１０と対向する円筒型の端部は、キー溝ハブ３２として設けられている。キー溝ハブ３２は、モータ軸１８上でキー溝リング要素２２と噛み合うためのキー溝を周囲に備えており、それにより、スピンドル軸１３とモータ軸１８との間に、トルク伝達キー溝包囲手段が設けられる。本実施例の場合、キー溝ハブ３２及びそれゆえにスピンドル軸１３は、これらキー溝により、モータ軸１８に対して軸方向にスライドすることができる。

スピンドル軸１３における工具保持手段１４は、環状の工具クランプ爪３３を原則として備えている。工具クランプ爪３３は、既知の方法で、各工具受け手段１５の凹部３４に適合するようにされている。本実施例の場合、工具クランプ爪３３は、コレット３５の周囲にはめ込まれており、コレット３５に強固に結合された引き込みロッド３６を用いることにより、コレット３５は、工具クランプ爪３３に対してスライドされることが可能である。コレット３５は、一端にブレーシングヘッド３７を備えている。モータハウジング１０に向かう引き込みロッド３６の軸方向の動作の間、ブレーシングヘッド３７は、凹部３４の中で、工具クランプ爪３３に対して放射状に外側へ弾性力が働くように作用し、従って、工具受け手段１５をスピンドル軸１３に固定する。

引き込みロッド３６は、スピンドル軸１３からモータ軸１８を通って延び、ピローブロック１９に固定された作動ユニット３８内にて終端する。スピンドル軸１３内を軸方向にスライドする引き込みロッド３６は、スピンドルハウジング１２から離れたその終端部に、環状突起３９を備えている。環状突起３９の直径は、モータ軸１８を通る同軸の長手方向の溝の内側の直径よりもわずかに小さくされており、その結果、環状突起３９、及び、従って、引き込みロッド３６もまた、長手方向の溝、すなわち、モータ軸１８内を自由にスライド可能となる。２つの円板ばねスタック４０及び４１は、ワッシャのように引き込みロッド３６の周囲に取り付けられており、モータ軸１８の中間部における支持円板４２により互いに分離されている。これらの２つの円板ばねスタック４０及び４１は、一端が環状突起３９に接触し、他端が円板シム４３を介してスピンドル軸１３に接触した状態で支持される。その結果、２つの円板ばねスタック４０及び４１の力により、コレット３５が、工具クランプ爪３３が広がるようにシフトし、これにより、工具受け手段１５をスピンドル軸１３に固定する。作動ユニット３８内における作動シリンダ型の流体動力サーボ部材４４は、流体動力により軸方向にシフト可能なピストン４５を備える。ピストン４５は、作動ユニット３８の動作中に引き込みロッド３６に抗して移動され、引き込みロッド３６が円板ばねスタック４０及び４１のばね力に向かうように、ピストン４５は、引き込みロッド３６をスピンドルハウジング１２に向かって押し込む。従って、コレット３５が工具クランプ爪３３から突き出され、その結果、工具受け手段１５が解放され、工具受け手段１５は取り外し可能となる。クーラント及び／または潤滑剤が、作動ユニット３８の内部で引き込みロッド３６と位置合わせされた管路４７に挿入されたロータリユニオン４６を用いて運搬されうる。この管路４７の中に、一端が引き込みロッド３６に固定された細管４８が延出され、細管４８は、管路４７との間の接続の密閉状態を確実にするために、密閉要素４９により密閉される。引き込みロッド３６は、管状に構成されており、その結果、クーラント及び／または潤滑剤が、細管４８から、引き込みロッド３６内の長手方向に同心状の管５０を通って、スピンドル軸１３における工具保持手段１４、それゆえに、工具受け手段１５及び工具受け手段１５にて保持される各工具に導かれうる。

モータ軸１８から作動ユニット３８の空洞５１へ延出された端部は、錐状（例えば、円錐状）に形成されている。この錐状に形成された端部は、引き込みロッド３６の位置を検出するために（延いては、工具保持手段１４のひずみ状態を検出するために）、非接触の位置センサ５２と協働する。他の周知の位置検出手段も、空洞５１に配置されうるのは言うまでもない。

モータハウジング１０は、スピンドルハウジング１２側にスピンドルハウジング１２が部分的に取り付けられる管状の端部５３を備えている。スピンドルハウジング１２上の環状フランジ５４は、この端部５３に当接する。取付ねじ５５は、そのような環状フランジ５４をこの端部５３に対して固定する。それゆえに、スピンドルハウジング１２は、モータハウジング１０に対して固定される。

スピンドルハウジング１２を取り外すためには、取付ねじ５５が緩められ、それから、スピンドルハウジング１２が取り外されうる。そのとき、キー溝ハブ３２は、キー溝リング要素２２から離れるようにスライドし、円板ばねスタック４０及び４１を有する引き込みロッド３６がモータ軸１８からスライドして取り出されうる。全体を取り外し可能なスピンドルハウジング１２、及び、引き込みロッド３６により構成される構造ユニットは、別途、図２に示されている。モータ軸１８、延いては、スピンドルモータ１１のための個別の軸受け手段が設けられているため、スピンドルモータ１１は、構造ユニットの取り外しのために、決して分解または取り換える必要がない。そして、図２に示された、修理済、または、新しい構造ユニットが挿入され、当該構造ユニットが取付ねじ５５を用いて固定されることのみが必要である。従って、いかなる種類の大きな調整、または、動的なバランスをとるための作業をも必要としない。

本発明の実施例にかかるモータスピンドルを示す縦断面図である。 工具保持手段、及び、アセンブリユニットを有するスピンドルハウジングの分離された状態を示す説明図である。

符号の説明

１０…モータハウジング、１１…スピンドルモータ、１２…スピンドルハウジング、１３…スピンドル軸、１４…工具保持手段、１５…工具受け手段、１６…内側回転子、１７…外側固定子、１８…モータ軸、１９…ピローブロック、２０…減摩ベアリング、２１…回転センサ、２２…キー溝リング要素、２３…環状ハウジング部、２４…減摩ベアリング、２５…軸受けソケット、２６，２７…ねじ要素、２８〜３１…減摩ベアリング、３２…キー溝ハブ、３３…工具クランプ爪、３４…凹部、３５…コレット、３６…引き込みロッド、３７…ブレーシングヘッド、３８…作動ユニット、３９…環状突起、４０，４１…円板ばねスタック４０、４２…支持円板、４３…円板シム、４４…流体動力サーボ部材、４５…ピストン、４６…ロータリユニオン、４７…管路、４８…細管、４９…密閉要素、５０…管、５１…空洞、５２…位置センサ、５３…端部、５４…環状フランジ

Claims (12)

1. 工作機械において工具を回転駆動させるためのモータスピンドルであって、
   モータ軸を備えるスピンドルモータと、
   前記モータ軸により駆動され、工具保持手段を備えるスピンドル軸と、
   工具または工具受け手段を保持する前記工具保持手段のために、前記工具保持手段から、前記スピンドル軸及び前記モータ軸内を通ってスライド可能に延びる引き込みロッドと、
   を備え、
   前記モータ軸は、モータハウジング内において、前記スピンドル軸とは独立して回転可能に支持されると共に、前記スピンドル軸は、スピンドルハウジング内において、前記モータ軸とは独立して回転可能に支持され、
   前記スピンドルハウジングは、前記モータハウジングに取り外し可能に固定され、前記スピンドル軸は、前記モータ軸に対し軸方向に自由にスライドされる一方、前記モータ軸と同じ方向に連動して回転するように前記モータ軸に結合され、
   前記スピンドルハウジングは、工具保持手段が備えられた構造ユニットを構成するとともに、前記引き込みロッドが、前記モータ軸内で自由にスライド可能に配置されたことを特徴とするモータスピンドル。
2. 回転方向に連動させる前記スピンドル軸と前記モータ軸との間の結合は、キー溝により形成され、より具体的には、環状のキー溝により形成された、請求項１に記載のモータスピンドル。
3. 前記モータ軸は、前記スピンドル軸と対向する部分に、前記スピンドル軸のキー溝ハブと係合するための内部キー溝を有するキー溝リングを備えたことを特徴とする請求項２に記載のモータスピンドル。
4. 前記モータ軸に対する１つの軸受け手段は、前記キー溝リング部の一部を支持するように構成された請求項３に記載のモータスピンドル。
5. 前記モータハウジングは、前記スピンドルハウジングと反対側に、前記モータ軸のための支持点を有するピローブロックを備えたことを特徴とする請求項１に記載のモータスピンドル。
6. 前記モータ軸は、回転速度センサと協働するように構成され、具体的には、前記回転速度センサは、前記モータハウジング内のピローブロックに配置された、ことを特徴とする請求項１に記載のモータスピンドル。
7. 前記モータハウジングにおける前記モータ軸、及び、前記スピンドルハウジングにおける前記スピンドル軸は、前記モータ軸または前記スピンドル軸を支持するために、それぞれ少なくとも２つの支持点を備えたことを特徴とする請求項１に記載のモータスピンドル。
8. 前記スピンドルハウジングは、前記モータハウジングにねじ固定されることを特徴とする請求項１に記載のモータスピンドル。
9. 前記引き込みロッドは、前記工具受け手段側に、工具クランプ爪と協働するように構成されたコレットを備え、前記工具受け手段と反対側の端部に、位置センサシステムと協働するゲージ部を備え、
   前記位置センサシステムには、少なくとも１つの非接触で動作する位置センサが設けられたことを特徴とする請求項１に記載のモータスピンドル。
10. 前記モータハウジングにおいて、前記スピンドルハウジングと反対側の端部に、前記引き込みロッドの動作のための作動ユニットが配置されており、具体的には、前記作動ユニットは、ピローブロック上に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載のモータスピンドル。
11. 前記作動ユニットは、前記引き込みロッドの軸方向の変位のための流体作動式のサーボ部を備えたことを特徴とする請求項１０に記載のモータスピンドル。
12. 前記引き込みロッドには、各工具、または、各工具受け手段を支持するための保持力を働かせるように構成されたばね手段が設けられており、具体的には、前記ばね手段は前記モータ軸内で前記引き込みロッド上に配置され、更に具体的には、前記作動ユニットは、前記工具または工具受け手段を解放するため、前記ばね手段のばね力に抗するように前記引き込みロッドをスライドするように構成されたことを特徴とする請求項１０に記載のモータスピンドル。

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